Integrative analysis of X-chromosome reactivation kinetics in a novel reprogramming system

Abstract

The reactivation of the inactive X chromosome has the potential to provide a unique system to study the developmentally induced formation of euchromatin. However, insights into this process were hampered by the lack of adequate systems, which would allow the dissection of the process using high-throughput sequencing techniques. Here I describe the development of a novel induced pluripotent stem cell reprogramming system that allows the isolation of cells poised for X-reactivation, subsequently achieving near-deterministic efficiency of X-reactivation. Utilizing this novel system, we were able to reveal that the reactivation of silenced genes occurs rapidly and can be divided into distinct initiation and completion phases. Similarly, we could show that chromatin opening of the inactive X proceeds in a two-step fashion, initiating in close proximity to previously open regions, and possibly being initiated by pluripotency factors. Finally, we could show that mega-domains and TADs correspond to two different levels of three-dimensional genome organization superimposed on the Xi, independent of gene expression. We conclude that gene expression and chromatin accessibility during X-reactivation share similar kinetics, while genome organization might follow distinct principles.

La reactivación del cromosoma X inactivo tiene el potencial de proporcionar un sistema único para estudiar la formación de eucromatina inducida por el desarrollo. Sin embargo, la comprensión de este proceso se vio obstaculizada por la falta de sistemas adecuados, lo que permitiría la disección del proceso utilizando técnicas de secuenciación de alto rendimiento. Aquí describo el desarrollo de un nuevo sistema de reprogramación de células madre pluripotentes inducidas que permite el aislamiento de células preparadas para la reactivación de X, logrando posteriormente la eficiencia casi determinista de la reactivación de X. Utilizando este novedoso sistema, pudimos revelar que la reactivación de genes silenciados ocurre rápidamente y puede dividirse en distintas fases de iniciación y finalización. Del mismo modo, podríamos mostrar que la apertura de cromatina de la X inactiva se realiza en dos pasos, iniciando en las proximidades de regiones previamente abiertas, y posiblemente iniciada por factores de pluripotencia. Finalmente, podríamos mostrar que los mega-domains y los TADs corresponden a dos niveles diferentes de organización del genoma tridimensional superpuestos en el Xi, independientemente de la expresión génica. Llegamos a la conclusión de que la expresión génica y la accesibilidad a la cromatina durante la reactivación X comparten una cinética similar, mientras que la organización del genoma podría seguir principios distintos.